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高海拔寒区隧道防寒抗冻技术进展与展望

现代隧道技术 2024年第2期61卷 139-151,177页

作者：郑波吴剑袁明陶伟明穆彦虎郭瑞中铁西南科学研究院有限公司成都611731 中铁投资集团有限公司北京100055 中铁二院工程集团有限责任公司成都610031 中国科学院西北生态环境资源研究院兰州730030

随着我国西部大开发战略持续深入,“一带一路”倡议稳步推进,以及交通强国重大战略的部署和实施,在高海拔寒区建设和运营的隧道逐年增多。近些年来,虽然寒区隧道修建技术,特别是在防寒抗冻技术方面取得了长足进步,但冻害发生比例仍然较... 详细信息

随着我国西部大开发战略持续深入,“一带一路”倡议稳步推进,以及交通强国重大战略的部署和实施,在高海拔寒区建设和运营的隧道逐年增多。近些年来,虽然寒区隧道修建技术,特别是在防寒抗冻技术方面取得了长足进步,但冻害发生比例仍然较高,受严寒复杂气象条件影响,隧道洞内挂冰、侧沟溢冰、路面结冰、衬砌开裂及排水系统冻结失效等冻害现象时有发生,严重影响衬砌结构的安全性和耐久性,造成巨大经济损失,寒区隧道建设和运营面临挑战。围绕高海拔寒区隧道防寒抗冻关键技术问题,对保温层厚度和保温设防长度参数确定、保温形式及适用性、防排水技术、围岩冻胀力计算、衬砌结构抗冻技术等的应用现状进行归纳,指出今后寒区隧道建设和运营过程中仍需重点关注和解决的问题,展望高海拔寒区隧道防寒抗冻技术的发展方向,以期为高海拔寒区隧道成功修建和安全运营提供参考。

关键词：寒区隧道保温层设防长度防排水冻胀力抗冻结构耐久性

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岩层隧道荷载结构响应影响因素分析

中国公路学报 2024年第1期37卷 142-153页

作者：陶伟明周子扬刘议文郭付康卢春房吴林西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610000 中国中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031 中国铁道科学研究院股份有限公司北京100081

为探究岩层隧道各因素对管片荷载结构响应的影响规律,采用理论模型推导了岩层隧道外荷载与结构内力响应及位移响应的解析解。基于岩层隧道管片荷载结构特征,探究了上覆围岩荷载、水头高度、岩层侧压力系数、等效抗弯刚度系数、隧道直径... 详细信息

为探究岩层隧道各因素对管片荷载结构响应的影响规律,采用理论模型推导了岩层隧道外荷载与结构内力响应及位移响应的解析解。基于岩层隧道管片荷载结构特征,探究了上覆围岩荷载、水头高度、岩层侧压力系数、等效抗弯刚度系数、隧道直径、管片厚度以及混凝土等级等7个主要影响因素对管片荷载结构响应的影响规律;并结合成都市锦绣隧道现场监测试验进行了验证。研究发现:上覆围岩荷载增大与岩层侧压力系数的减小将显著增大管片内力与位移响应;水头增大对管片弯矩与径向位移的影响较小,将大幅增大管片轴力水平;等效抗弯刚度系数的增大不影响管片内力响应,但会使结构径向位移小幅减弱;隧道直径增大将导致管片弯矩、轴力与径向位移小幅增大;管片厚度对结构内力响应影响较小,厚度减小将使管片径向位移小幅增大;混凝土等级变化对隧道荷载结构响应影响细微。对比现场监测结果与模型计算结果,所得荷载结构响应规律相似,表明所提出的分析方法具有较高的准确性。

关键词：隧道工程岩层环境现场监测荷载结构响应因素分析

穿越断层破碎带隧道变刚度衬砌振动台试验研究

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土木工程学报 2024年

作者：申玉生张熙常铭宇潘笑海粟威陶伟明赵何霖西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心中铁二院工程集团有限责任公司

依托我国西部地区穿越大型活动断裂带隧道工程，基于“引”和“让”的抗震理念设计穿越断层隧道变刚度衬砌结构，实现结构诱导变形、减小地震损伤范围的目的，并开展穿越断层破碎带隧道变刚度衬砌振动台试验进行验证。在水平剪切地震动... 详细信息

依托我国西部地区穿越大型活动断裂带隧道工程，基于“引”和“让”的抗震理念设计穿越断层隧道变刚度衬砌结构，实现结构诱导变形、减小地震损伤范围的目的，并开展穿越断层破碎带隧道变刚度衬砌振动台试验进行验证。在水平剪切地震动激励下，根据隧道结构的加速度、接触应力、应变响应特征，以及隧道结构整体、局部连接处震害形态，探究强震作用下变刚度衬砌节段的损伤特征和减震抗错性能。研究结果表明：小于0.2g地震动时隧道结构沿轴向加速度放大系数呈断层破碎带中部大、交界面附近小的特点，地震动大于0.2g时分布形式则相反；边际谱幅值放大系数小于1时，表明隧道结构能量耗散、产生损伤，0.2g地震动后断层破碎带内隧道仰拱局部出现损伤，0.8g地震动后上盘与断层交界面隧道边际谱幅值放大系数降至0.3，结构损伤最为严重；交界面附近围岩-衬砌接触应力峰值小于上、下盘，但围岩发生塑性破坏的时机更早；破碎带内隧道仰拱损伤早于上、下盘，但损伤程度更轻；断层交界面附近衬砌开裂、错断最严重，需重点加强抗震设计；断层破碎带中部及上、下盘距交界面较远处由于衬砌变刚度结构和柔性接头的减震、诱导变形功能，震后隧道结构损伤程度较轻、范围较小。本文结论可为高烈度地震区隧道工程抗震与减震设计提供一定的参考依据。

关键词：隧道工程断层破碎带变刚度衬砌柔性接头幅值放大系数振动台试验

跨黏滑断层隧道地震动力响应及减震层参数优化研究

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铁道标准设计 2024年

作者：匡亮粟威申玉生陶伟明田四明黎旭唐思聪汪辉武中铁二院工程集团有限责任公司西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室中国铁路经济规划研究院有限公司

针对跨黏滑断层隧道地震动力响应及减震层设计优化问题，以某高海拔、高烈度区活动断层铁路隧道为背景，采用有限差分数值模拟方法，分析跨黏滑断层隧道在不同地震动强度、断层倾角以及隧道与断层交角下结构动力响应特征和影响范围，提... 详细信息

针对跨黏滑断层隧道地震动力响应及减震层设计优化问题，以某高海拔、高烈度区活动断层铁路隧道为背景，采用有限差分数值模拟方法，分析跨黏滑断层隧道在不同地震动强度、断层倾角以及隧道与断层交角下结构动力响应特征和影响范围，提出重点设防部位和相应的地震影响分区，并对不同减震层布设形式及设计参数下结构应变响应、变形特征和受力形式进行对比分析，得出减震层优化设计参数。研究表明，地震动峰值加速度由0.3g增大至0.6g时，隧道横断面变形响应增大42.7%～127.2%，最大主应力峰值增大16.8%～63.0%，主应力集中在断面拱顶和左右拱肩部位，断层带内部以及下盘围岩与交界面附近区域地震响应最大，应作为抗震设防的重点区域。以拱顶剪应力作用系数Tγ=3为主要和次要影响区的分界点，Tγ=2为次要和非影响区的分界点，得到不同地震动强度、断层倾角、隧道与断层交角下隧道结构地震影响分区范围，在动峰值加速度0.6g、断层倾角和交角为30°时，主要影响区达到了上盘4d、下盘4d和断层带范围。采用减震层设计后，结构在断层带最大主应力峰值明显减小，拱顶、仰拱、左右拱腰应力峰值减小20.6%～81.7%，结构变形最大减小11.4%。全长范围布设和间隔12m布设减震层后，剪应力作用系数分别减小39.1%和34.3%，横断面全环布设和拱顶+拱肩+拱脚局部布设减震层后，剪应力作用系数分别减小38.5%及32.3%，当采用纵向间隔12m、拱顶+拱肩+拱脚局部布设减震层时，可达到减震与经济性兼顾的效果。

关键词：铁路隧道黏滑断层动力响应影响分区减震层参数优化

穿越走滑断层隧道错动影响分区及隧道节段式衬砌抗错断性能控制

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科学技术与工程 2024年第18期24卷 7534-7541页

作者：粟威陶伟明易鹏豪申玉生匡亮王耀达中铁二院工程集团有限公司成都610031 西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031

为了揭示中国西部地区穿越活动断裂公路隧道工程的变形及力学特性,通过数值模拟分析了断层左旋走滑运动对隧道结构产生的错动响应,建立隧道受断层错动影响分区,并提出隧道节段衬砌铰接设计这一抗错断措施。通过对比在影响区内设置不同... 详细信息

为了揭示中国西部地区穿越活动断裂公路隧道工程的变形及力学特性,通过数值模拟分析了断层左旋走滑运动对隧道结构产生的错动响应,建立隧道受断层错动影响分区,并提出隧道节段衬砌铰接设计这一抗错断措施。通过对比在影响区内设置不同长度节段衬砌时隧道结构的应力、位移响应规律,得出最优衬砌节段布置形式。研究结果表明:断层走滑错动2.5 m时,隧道结构受错影响范围为断层与活动盘交界面附近2.7 d(d为隧道跨径)内,定义1 d~2.7 d范围内为次要影响区,1 d范围内为主要影响区;通过对比分析发现3 m节段对衬砌结构水平位移和最大剪应力的控制效果最好,峰值最大降低率分别达到了3.38%和43.34%;隧道结构在断层交界面附近水平位移达到最大,随后向两侧较远位置变形不断减小至平稳;可见隧道结构沿纵向所受的最大剪应力值集中在错动影响区内,且在此范围内变化相较此范围外更加剧烈,错动影响区是抗断层错动设防重点关注对象。研究结果可为隧道抗错断设计提供参考。

关键词：公路隧道走滑断层节段衬砌影响分区数值计算

穿越多断层破碎带隧道自适应结构走滑错动特性研究

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铁道标准设计 2024年第5期68卷 137-146页

作者：张熙申玉生易鹏豪朱鹏霖王耀达粟威陶伟明西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司成都610031

在活动断裂构造带地区,断层运动往往是沿断层带发生,自活动盘到破碎带错动位移表现出逐级传递的特征,因此穿越活动断裂带的隧道结构应力、变形特征也受到断层错动形式的影响。依托西部高烈度区某穿越大型活动断裂带的公路隧道工程,通过... 详细信息

在活动断裂构造带地区,断层运动往往是沿断层带发生,自活动盘到破碎带错动位移表现出逐级传递的特征,因此穿越活动断裂带的隧道结构应力、变形特征也受到断层错动形式的影响。依托西部高烈度区某穿越大型活动断裂带的公路隧道工程,通过数值模拟分析穿越多断层隧道结构在断层多级走滑错动下的位移、应力响应规律,得出隧道结构纵向基于多断层蠕滑错动的影响分区;建立基于柔性初支、刚性二衬和节段铰接的穿越蠕滑断层隧道自适应结构,探究在错动区和缓冲区内设置隧道自适应结构的抗错性能。研究表明:隧道围岩性质的差异是影响穿越断层破碎带隧道结构变形和应力的最重要因素,隧道自适应结构在蠕滑错动过程中,柔性初支能够吸收部分围岩传递至隧道结构的变形,柔性接头的剪切变形和衬砌节段的刚性转动能够承担较大的位错,随着隧道衬砌节段长度的减小、接头数量的增加,各个接头的剪切变形角和衬砌节段偏转角都将减小,大幅提升结构的抗错安全性。

关键词：公路隧道多断层活动断裂带多级走滑错动影响分区自适应结构

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聚氨酯复合注浆材料浆液扩散特性及应用研究

铁道学报 2023年第7期45卷 1-9页

作者：陶伟明卢春房叶长文程鹏达西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031 中国铁道学会北京100844 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 中国科学院力学研究所北京100190

山岭隧道所处地层大多节理裂隙发育,水系丰富,由此引发的突涌水灾害普遍具有突发性高、危害性大和破坏性强等特点,直接威胁隧道施工安全。基于化学改性和无机-高分子杂化技术,以聚氨酯材料与普通硅酸盐水泥为基础,结合复合功能助剂,制... 详细信息

山岭隧道所处地层大多节理裂隙发育,水系丰富,由此引发的突涌水灾害普遍具有突发性高、危害性大和破坏性强等特点,直接威胁隧道施工安全。基于化学改性和无机-高分子杂化技术,以聚氨酯材料与普通硅酸盐水泥为基础,结合复合功能助剂,制备得到聚氨酯复合注浆材料。通过对该复合注浆材料的SEM观测,分析浆材固结体的防渗性能。通过水槽注浆模拟试验,研究注浆材料的浆液扩散和抗冲刷特性。利用Galerkin有限元法建立连续模型方程,数值模拟浆液的流动过程,分析注浆过程中的流场特征。通过现场工程应用,验证该复合注浆材料对山岭隧道突涌水的注浆封堵效果。研究结果表明,有机/无机杂化的空间互穿网络凝胶结构,提高了结石体的力学性能和防渗性能。浆液在动水环境下的富水砂砾地层留存率高,扩散程度好,注浆封堵效果明显。数值模拟结果与现场试验基本相符,对复合注浆材料浆液流场特征进行分析,有助于实现地下突涌水注浆治理全过程的优化控制。山岭隧道突涌水的现场应用表明,使用复合注浆材料对富水地层注浆后无渗水现象,后期经过长时间观测,封堵效果和耐久性优异。

关键词：隧道工程富水地层抗冲刷性数值模拟扩散特性

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高原铁路钻爆法隧道断面优化研究

现代隧道技术 2023年第4期60卷 196-203页

作者：黎旭汪辉武陶伟明曹彧吴剑中国铁路经济规划研究院北京100038 西南交通大学成都610031 中铁二院工程集团有限责任公司成都610031 中铁西南科学研究院有限公司成都611731

对高原铁路钻爆法隧道断面影响因素进行分析,并重点从气动效应、接触网悬挂及轨下结构布置三个影响因素开展断面优化研究。研究结果表明,从气动效应方面高海拔地区隧道断面具有优化的空间,接触网悬挂类型及悬挂高度对隧道断面的高度影响... 详细信息

对高原铁路钻爆法隧道断面影响因素进行分析,并重点从气动效应、接触网悬挂及轨下结构布置三个影响因素开展断面优化研究。研究结果表明,从气动效应方面高海拔地区隧道断面具有优化的空间,接触网悬挂类型及悬挂高度对隧道断面的高度影响大,沟槽布置主要影响隧道断面宽度方向。结合不同的海拔跨度,提出了以海拔为分级依据的隧道断面优化方案。

关键词：高原铁路钻爆法隧道断面优化空气动力学效应接触网悬挂沟槽布置

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高海拔大高差特长隧道洞内温度分布规律研究

铁道工程学报 2022年第1期39卷 61-66页

作者：郑波吴剑郑金龙陶伟明郭瑞冷希乔中铁西南科学研究院有限公司四川省公路规划勘察设计研究院有限公司中铁二院工程集团有限责任公司四川交通职业技术学院

研究目的:随着川藏铁路的建设，我国高海拔大高差特长隧道数量急剧上升。目前高海拔大高差特长隧道洞内温度分布规律尚不明确，严重制约其保温防冻设计，若设防不当会造成冻害，影响运营安全。本文以川西高原既有高海拔大高差特长隧道... 详细信息

研究目的:随着川藏铁路的建设，我国高海拔大高差特长隧道数量急剧上升。目前高海拔大高差特长隧道洞内温度分布规律尚不明确，严重制约其保温防冻设计，若设防不当会造成冻害，影响运营安全。本文以川西高原既有高海拔大高差特长隧道为例，采用现场监测、数值模拟等手段，利用隧道修建前后洞内外气象监测数据，研究高海拔大高差隧道洞内温度分布规律及其对保温防冻长度的影响，并提出相应的防冻保温设计建议。研究结论:(1)隧道施工过程中，掌子面附近气温全年处于13～16℃范围内，基本保持稳定状态，受洞外气温变化影响小，温度值大小主要由所处位置围岩温度决定；(2)隧道贯通运营后，洞内纵向温度分布规律发生显著变化，受洞外气象环境条件影响显著，高海拔大高差特长隧道“烟囱效应”明显；(3)高海拔大高差特长隧道会形成由低洞口往高洞口的单向自然通风，导致低洞口洞身负温长度显著大于高洞口，洞口两端温度场分布呈非对称特征；(4)本研究成果可供川藏铁路等两端存在大高差的高海拔隧道建设参考。

关键词：高海拔隧道大高差单向通风纵向温度场保温防冻长度